Teoría de cuerdas cósmicas y supercuerda Sergio Pasero Ruiz. 3ºc IIND

Índice Introducción Situándonos en la historia. ¿Qué entendemos por teoría de cuerdas, y supercuerda? ¿Qué sabemos y qué no sabemos de la teoría? Impedimentos actuales. Algunas conclusiones Bibliografía

Introducción La física busca desde sus inicios verdades universales sobre la naturaleza. Cuando estás verdades se encuentran, se intenta explicarlas en base a principios más profundos y elementales a partir de los cuáles se puedan deducir las anteriores. El punto inicial de todas las explicaciones es lo que se entiende por teoría final, del todo, o teoría unificada final. A la cuál se intenta llegar a través de la teoría de cuerdas cósmicas o supercuerdas, que es la que analizaremos de forma divulgativa.

Introducción La humanidad ha buscado, desde épocas muy remotas, explicar las diversas manifestaciones de la naturaleza como diferentes aspectos de un mismo fenómeno, desde los presocráticos hasta nuestros días. Sin embargo existe una diferencia importante entre las teorías antiguas y las modernas teorías científicas: la actual exigencia de verificación experimental. Por eso una explicación científica moderna debe contener una comprensión cuantitativa de los fenómenos. En la actualidad la búsqueda de la teoría final se realiza en el contexto de la física de altas energías.

Entonces...¿Se ha descubierto ya esa teoría? La respuesta es NO, y se antoja por ahora lejos de ser descubierta por dificultades de explicación física de la matemática empleada, y de experimentación. Únicamente tenemos algunos indicios sobre la misma.

Situándonos en la historia S. XVI : Nace la física moderna con la mecánica de Newton. Comienza el sueño de una teoría final, dicha mecánica postula la unicidad de las leyes que rigen el movimiento de los cuerpos celestes y el de los terrestres, la unicidad de las leyes del movimiento y de la gravitación universal. Dicha fuerza gravitatoria es la única fuerza universal, pues actúa sobre todas las partículas sin excepción. Su fuente es la masa de la partícula y su intensidad es proporcional a ella, y actúa a grandes distancias. Para Newton, la gravedad era una acción a distancia, es decir una partícula actúa sobre otra directa e instantáneamente a través del espacio según la ley F = G*M*m/ R^2 (F=Fuerza ejercida, G=constante gravitatoria, M,m=masas de los cuerpos, R= distancia que los separa).

Situándonos en la historia Las siguientes fuerzas estudiadas cronológicamente fueron la electricidad y el magnetismo, que en 1850 se conciben a partir de la formulación de Maxwell como una teoría común, la electromagnética. Surge la primera teoría unificadora en el siglo XX que involucraba la teoría electromagnética de Maxwell con la gravitación derivada de la teoría de la relatividad de Einstein. (Teoría que es más general y sólida que la de Newton). Dicho primer intento de unificación fue llevado a cabo por T. Kaluza en 1921, cuando propuso que dicha unión de leyes físicas era posible si aumentaban las dimensiones del espacio-tiempo a cinco.

Situándonos en la historia Klein en 1926 interpreta que esa quinta dimensión está enrollada, pero no dentro del espacio 4D, sino de tal forma que lo extiende. Calculó la circunferencia de esta dimensión enrollada alrededor de la quinta dimensión y resulto ser de 10^-33 cm (la longitud de Planck), es decir mucho más pequeña que cualquier estructura que se haya observado, incluso a nivel subnuclear. Sin embargo es en 1930 cuando al descubrir las interacciones fuerte y débil, la teoría de kaluza-klein pierde su atractivo, cinco dimensiones son insuficientes para unir todas las fuerzas en una sola ley, y se observa que son necesarias 10 u 11 dimensiones.

Situándonos en la historia Pero pronto aparece un nuevo problema, surgen infinitos en los cálculos matemáticos, y durante cuatro décadas se estanca la investigación en este aspecto. Por fin en 1940 se consigue unificar realmente la mecánica cuántica con la Relatividad especial en lo que llamarían Modelo Estándar, aunque sólo en un tipo muy limitado de casos, y consiguiendo “una cancelación matemática de infinitos”, imposible de llevar a experimentación.

Situándonos en la historia Surge una concepción paralela que impulsa Richard Feynman, y que se basa en cálculos más sencillos teniendo en cuenta la teoría de la relatividad en cada paso del análisis. Lo que lleva a unir en torno a 1957 la teoría de interacciones débiles dentro del contexto de la teoría cuántica de campos, pero continuaba la imposibilidad de realizar experimentos debido a los infinitos de los que hablábamos antes.

Situándonos en la historia Siguiendo éstos últimos pasos y la renormalización de la teoría cuántica(trabajar con los infinitos y conseguir la sustracción de los mismos), se llega a una teoría unificada con las fuerzas electromagnéticas, que se llamó teoría electrodébil., cuya verificación experimental se obtuvo mucho después. Nace la cromodinámica cuántica y fue aceptada rápidamente como la teoría de interacciones nucleares fuertes.( otra teoría que se buscaba unificar a lo anterior, y a la gravitación no lo olvidemos)

Situándonos en la historia Actualmente solo se puede reducir la física de forma inteligible a dos teorías que no se han podido unificar, el modelo estándar (MS) (que unifica la interacción débil, fuerte, electromágnetica, pero no la gravedad) y la relatividad general (RG). Sabiendo además que ambas contienen dificultades matemáticas y experimentables que hasta el momento se antojan insalvables. (mala renormalización en el MS, y contradicciones internas en la RG) Hasta aquí se había llegado con teorías cuánticas de campos que modelaban la materia en base a partículas puntuales , pero que eran inconsistentes en presencia de gravedad, sin embargo en 1985 se vislumbraba otra forma de ver la física, LA TEORÍA DE CUERDAS.

¿Qué entendemos por cuerdas cósmicas ? Entendemos por cuerda elemental a un objeto unidimensional de tamaño 10^-33 cm, y que no es puntuales. (puesto que tienen dimensión) Pueden ser abiertas o cerradas. Son los elementos fundamentales de los que están hechos el resto de partículas. Se encuentran en infinitos estados de vibración a medida que viajan por el espacio-tiempo.

¿Qué entendemos por cuerdas cósmicas? Esos infinitos estados armónicos de vibración son los que identificarán las infinitas posibles naturalezas de cada cuerda. (electrón, gravitón ,fotón...), por está propiedad la teoría de cuerdas recibe el nombre de teoría del todo. La teoría de cuerdas, a diferencia de las anteriores de campos de partículas, no presenta anomalías. (problema de infinitos, incompatibilidad con la gravedad, etc.) Todas las teorías anteriores se pueden expresar a partir de la teoría de cuerdas haciendo simplificaciones o aproximando las cuerdas por partículas.

¿Qué entendemos por cuerdas cósmicas?

¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas ¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas? Impedimentos actuales. Actualmente existe una teoría denominada Teoría de la multicuerda , o teoría M, de la cuál se supone que se podrían obtener las cinco teorías de cuerdas distintas que se han propuesto hasta el año 1995 ( y que aún hoy se analizan), simplemente teniendo en cuenta ciertas condiciones. Dicha teoría M que no podrían violar los principios físicos estaría definida en 10 dimensiones espaciales (11 espacio-temporales).

¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas ¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas? Impedimentos actuales. Además de cuerdas, la Teoría M contempla la existencia de otros elementos fundamentales de mayor dimensionalidad, como membranas de dos dimensiones, y objetos de tres o más dimensiones espaciales. Sabemos que la teoría de cuerdas es una teoría con más solidez y elegancia matemática que las anteriores, pero cuyo punto débil se encuentra en la interpretación de sus soluciones, y en la imposibilidad actual de determinar la solución única que rige un fenómeno determinado, es decir no hay un mecanismo directo para discriminar la solución que corresponde a la naturaleza.

¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas ¿Qué sabemos y qué no sabemos de la T. de cuerdas? Impedimentos actuales. Aun estamos lejos de poder hallar la teoría final, pero ya se puede atisbar que ésta incorporará la mecánica cuántica, pues nadie ha sido capaz hasta la fecha de modificar la misma de modo que preservará sus éxitos sin llevar a un absurdo. Existe un impedimento añadido, y es que nosotros percibimos un universo 3D espacial, mientras que la teoría requiere uno de 10D, de tal forma que se hace necesaria la compactificación (enrollar las dimensiones), y ese es un gran problema , pues existen muchas , demasiadas posibilidades de realizar la transición de 10 a 4 dimensiones. Y muchas de ellas son consistentes con la fenomenología observada experimentalmente.

Algunas conclusiones Aun estamos lejos de poder hallar la teoría final, pero ya se puede atisbar que ésta incorporará la mecánica cuántica, pues nadie ha sido capaz hasta la fecha de modificar la misma de modo que preservara sus éxitos sin llevar a un absurdo. Se supone también que la teoría final descansará en principios de simetría. (simetrías en campos de RG y de MS, así como internas) Como el gravitón parece ser una característica inevitable de cualquier teoría de cuerdas, se puede decir que la teoría de cuerdas explica por qué existe gravitación. Además resuelven el ya comentado anteriormente problema de los infinitos.

Algunas conclusiones Muchos físicos ven en ella la llave hacia la física postmoderna y del futuro. Sin embargo no todos los físicos piensan lo mismo, según Feynman refiriéndose a las cuerdas dijo: “....creo que todo esto es un disparate” Otra cita: La teoría está perfectamente definida, lo que pasa es que es la física del siglo XXI que por error apareció en el XX. (extraído de la web, ver bibliografía)

Bibliografía http://www.superstringtheory.comlindex.html Superstrings: a theory of everything (Paul Davies, brown editor Paperback Septiembre 1992). The elegant universe:superstrings, hidden dimensions and the quest for the ultimate theory” (Brian Greene Marzo 2000) Webs: http://www.feyman.physics.lsa.umich.edu/strings2000/ http://www.superstringtheory.comlindex.html http://es.wikipedia.org/wiki/Teoría_de_cuerdas